EP2174146B1 - Anordnung und verfahren zur messung eines in einem elektrischen leiter fliessenden stroms - Google Patents

Description

• Aus der Druckschrift DE 10 2005 024 075 B4 ist eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bekannt. Das Dokument EP 1 762 852 zeigt eine Vorrichtung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms. Im Luftspalt eines Magnetkreises sind zwei Steuerkerne in Serie angeordnet, die jeweils eine Steuerwicklung zur magnetischen Sättigung des jeweiligen Steuerkerns aufweisen.
• Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms anzugeben, welche unabhängig von äußeren magnetischen Einflüssen eine korrekte Messung ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Des weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
• Die Anordnung weist einen mit einem Luftspalt versehenen Magnetkreis zur Kopplung mit einem elektrischen Leiter auf. Im Magnetkreis befindet sich ein magnetfeldsensitives Bauelement zur Messung des vom elektrischen Leiter erzeugten Magnetfeldes. Das magnetfeldsensitive Bauelement ist bevorzugt direkt in den Magnetkreis eingebaut. In dem Luftspalt des Magnetkreises befinden sich zwei Steuerkerne, wobei die Steuerkerne jeweils eine Steuerwicklung zur magnetischen Sättigung des jeweiligen Steuerkerns aufweisen und beidseitig des dazwischen liegenden elektrischen Leiters angeordnet sind.
• Der Magnetkreis besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem U-förmigen weichmagnetischen Kern, in den das magnetfeldsensitive Bauelement direkt eingebaut ist. Bevorzugt befindet sich das magnetfeldsensitive Bauelement mittig zwischen den beiden Armen des U-förmigen Kerns.
• Die beiden Steuerkerne können unabhängig voneinander durch darauf aufgebrachte Wicklungen mittels Steuerströmen gesättigt werden.
• Ein erster Steuerkern befindet sich auf einer ersten Seite des elektrischen Leiters und ein zweiter Steuerkern befindet sich auf einer zweiten Seite des elektrischen Leiters.
• Der zweite Steuerkern befindet sich vorzugsweise parallel zu dem magnetfeldsensitiven Bauelement zwischen den beiden Armen des bevorzugt U-förmigen Magnetkreises.
• In einer Ausführungsform weist der Magnetkreis eine zusätzliche Wicklung auf.
• In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die beiden Steuerkerne in einer gemeinsamen Ebene. Die beiden Steuerkerne sind bevorzugt zwischen den beiden Armen des U-förmigen Kerns, beidseitig des elektrischen Leiters, angeordnet.
• Vorzugsweise wird der elektrische Leiter vom Magnetkreis umgriffen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuerkerne als Ferritkerne ausgebildet. Dabei sind die Ferritkerne besonders bevorzugt als rechteckiger Rahmen ausgebildet, der auf mindestens einer Seite des Rahmens eine Steuerwicklung zur Sättigung des Ferritkerns aufweist. In einer besonders effizienten Variante sind Steuerwicklungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens angeordnet. Durch die Ausbildung der Steuerkerne in dieser Form kann eine effiziente Sättigung der Steuerkerne erreicht werden.
• Dadurch, dass in dem Magnetkreis die beiden Steuerkerne nicht hintereinander, sondern parallel zueinander angeordnet sind, also beidseitig des elektrischen Leiters, können diese, im Vergleich zu einem Aufbau mit zwei übereinander angeordneten Steuerkernen, mehr als die doppelte Anzahl Windungen auf den Steuerkernen aufweisen. Bei gleichem Drahtdurchmesser der Steuerwicklungen stehen somit die doppelte Anzahl an Windungen zur Verfügung. Dies ermöglicht die Messung sehr großer Ströme, ohne dass die Steuerkerne vom Primärstrom aus der Sättigung getrieben werden. Bei sehr großen Strömen, die im Bereich von ca. 1000A liegen, würde der Primärstrom dem Steuerstrom in einem der Schenkel der Steuerkerne entgegenwirken und diese so aus der Sättigung treiben.
• Das magnetfeldsensitive Bauelement ist bevorzugt ein Hall-Sensor.
• Wird ein Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und ist in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist.
• Zur Bestimmung des in dem elektrischen Leiter fließenden Stroms werden verschiedene Messungen mit Hilfe des Hall-Sensors durchgeführt.
• Das Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms wird mit einer wie oben beschriebenen Anordnung durchgeführt.
• Bei dem Verfahren wird die das magnetfeldsensitive Bauelement durchsetzende Flussdichte zuerst bei ungesättigten Steuerkernen gemessen.
• Bei einer zweiten Messung wird der erste Steuerkern gesättigt, der zweite Steuerkern bleibt ungesättigt, wobei die das magnetfeldsensitive Bauelement durchsetzende Flussdichte gemessen wird.
• Für eine dritte Messung wird der zweite Steuerkern gesättigt, der erste Steuerkern ist ungesättigt. Die das magnetfeldsensitive Bauelement durchsetzende Flussdichte ergibt einen dritten Messwert.
• Für eine vierte und letzte Messung wird die das magnetfeldsensitive Bauelement durchsetzende Flussdichte bei Sättigung beider Steuerkerne gemessen.
• Aus den vier Messwerten, die durch die zuvor durchgeführten Messungen ermittelt wurden, wird der durch den elektrischen Leiter fließende Strom berechnet.
• Für Ströme die kleiner als 50A sind, weisen die erste und dritte Messung in etwa die gleiche Stromempfindlichkeit auf. Bei der ersten ist der zweite Steuerkern ungesättigt und bei der dritten Messung gesättigt. An dem magnetfeldsensitiven Bauelement liegt bei beiden Messungen somit das gleiche H-Feld an. Das H-Feld wirkt somit auf das magnetfeldsensitive Bauelement analog wie eine anliegende Spannung. Die magnetischen Widerstände des Magnetkreises und der Steuerkerne wirken analog zu elektrischen Widerständen.
• Es gelten somit folgende drei Gleichungen: $$\mathrm{I}\mathrm{.}{\mathrm{r}}_{\mathrm{4}}\mathrm{=}\mathrm{n}\mathrm{+}{\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\mathrm{*}{\mathrm{I}}_{\mathrm{DC}}\mathrm{+}{\mathrm{S}}_{\mathrm{B}\mathrm{4}}\mathrm{*}{\mathrm{B}}_{\mathrm{S}}$$

  

  $$\mathrm{II}\mathrm{.}{\mathrm{r}}_3\mathrm{=}\mathrm{n}\mathrm{+}{\mathrm{s}}_3\mathrm{*}{\mathrm{I}}_{\mathrm{DC}}\mathrm{+}{\mathrm{S}}_{\mathrm{B}3}\mathrm{*}{\mathrm{B}}_{\mathrm{S}}$$

  

  $$\mathrm{III}\mathrm{.}{\mathrm{r}}_2\mathrm{=}\mathrm{n}\mathrm{+}{\mathrm{s}}_2\mathrm{*}{\mathrm{I}}_{\mathrm{DC}}\mathrm{+}{\mathrm{S}}_{\mathrm{B}2}\mathrm{*}{\mathrm{B}}_{\mathrm{S}}$$

  
• In der Messung werden physikalische Größen oft in analoge elektrische Größen umgewandelt. Bei der Quantisierung wird der Messbereich der analogen Größe in eine endliche Zahl aneinander angrenzender Teilbereiche (Intervalle) aufgeteilt und jedem davon ein Wert eines endlichen symbolischen Systems zugeordnet (z.B. eine ganze Zahl). Als Auflösung wird die Anzahl der verwendeten Teilbereiche der analogen Größe, bei binären symbolischen Systemen auch ihre Zweierpotenz (Auflösung in Bit) bezeichnet, jedoch bei gleich großen Intervallen auch die Größe der Intervalle selbst.
• Die Quantisierungsschritte geben den Wert für das Messsignal in diskreter Form wieder.
• In den oben angeführten Gleichungen gibt r₂ die Anzahl der Quantisierungsschritte bei einer Messung, bei Sättigung des ersten Steuerkerns an. r₃ gibt die Anzahl bei Sättigung des zweiten Steuerkerns wieder. r₄ gibt die Anzahl der Quantisierungsschritte an, bei der beide Steuerkerne gesättigt sind. Die Variablen s₂, s₃ und s₄ geben die jeweilige Empfindlichkeit des Hallsensors gegenüber dem durch den elektrischen Leiter fließenden Strom an.
• Die Variable n gibt den Nullpunkt des magnetfeldsensitiven Bauelements in Quantisierungsschritten an, bei dem im elektrischen Leiter 0A Strom und am magnetfeldsensitiven Bauelement 0 Tesla Flussdichte anliegen. Die Variablen S_B2, S_B3 und S_B4 geben die Sensitivität des magnetfeldsensitiven Bauelements bei Sättigung des ersten Steuerkerns, bei Sättigung des zweiten Steuerkerns beziehungsweise bei Sättigung beider Steuerkerne an. Die Variable B_s bezeichnet die magnetische Flussdichte eines störenden externen Magnetfeldes. Die Variable I_DC gibt den durch den elektrischen Leiter fließenden Strom an, der in der Messung ermittelt werden soll.
• Sämtliche Empfindlichkeiten werden während der Produktion der Anordnung bestimmt und in der Auswerteeinheit fest hinterlegt.
• Anschließende Eliminierung von n liefert: $$\mathrm{I}\mathrm{-}\mathrm{II}{\mathrm{r}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{r}}_{\mathrm{3}}\mathrm{=}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{3}}\right)\mathrm{*}{\mathrm{I}}_{\mathrm{DC}}\mathrm{+}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{3}}\right)\mathrm{*}{\mathrm{B}}_{\mathrm{S}}$$

  

  $$\mathrm{I}\mathrm{-}\mathrm{III}{\mathrm{r}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{r}}_2\mathrm{=}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_2\right)\mathrm{*}{\mathrm{I}}_{\mathrm{DC}}\mathrm{+}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{B}2}\right)\mathrm{*}{\mathrm{B}}_{\mathrm{S}}$$

  
• Die beiden Gleichungen I-II und I-III werden nach I_DC aufgelöst, anschließend gleichgesetzt und weiter nach B_S aufgelöst: $${\mathrm{B}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}{\mathrm{r}}_{\mathrm{3}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{2}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\right)\mathrm{+}{\mathrm{r}}_{\mathrm{4}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{3}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{2}}\right)\mathrm{+}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{3}}\right)\mathrm{/}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{4}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{3}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{2}}\right)\mathrm{+}{\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{3}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{2}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\right)\mathrm{+}{\mathrm{s}}_{\mathrm{B}\mathrm{2}}\mathrm{*}\left({\mathrm{s}}_{\mathrm{4}}\mathrm{-}{\mathrm{s}}_{\mathrm{3}}\right)\right)$$

  
• Zur Bestimmung von I_DC und n kann durch Einsetzen von B_S in die Gleichungen I-II oder I-III und danach durch Einsetzen von I_DC und B_S in eine der Gleichungen I bis III aufgelöst werden. Durch Auflösen nach Gleichung III kann n bestimmt werden, durch Auflösen nach Gleichung II kann I_DC. Die Gleichung I ist für die Bestimmung von B_S am besten geeignet.
• B_S kann alternativ auch in Gleichung II oder III vernachlässigt werden. Der leicht ungenau bestimmte Primärstrom I_DC kann, falls erforderlich, zur Ermittlung von B_S herangezogen werden.
• Es ist bekannt, dass Hallsensoren aus mehreren Gründen driften können, wobei einige dieser im Folgenden näher beschrieben werden.
• Die Hallzelle wird bei monolithischem Aufbau vorzugsweise als schwach dotiertes Diffusionsgebiet im Siliziumsubstrat oder einer Epi-Schicht ausgeführt. Eine leitfähige Platte wird vorzugsweise darüber aufgebracht, damit das Schrotrauschen verringert wird. Das schwach dotierte Diffusionsgebiet bildet eine parasitäre Diode, die in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden muss. Es tritt der so genannte "Back-bias-Effekt" auf, eine Wanderbewegung der Raumladungszonen (analog zu Kapazitätsdioden). Die Dickenmodulation der Raumladungszone wirkt sich direkt auf die Sensitivität der Hallzelle aus (ca. +3 .. 5 %/V). Die leitfähige Platte über der Hallzelle wird meist ebenfalls mit einer Vorspannung beaufschlagt. Diese Vorspannung bewirkt ebenfalls eine Dickenmodulation der Raumladungszone des schwach dotierten Diffusionsgebiets (0.01%/V). Driften die Vorspannungen, z.B. durch Alterung, so driftet auch die Empfindlichkeit der Hallzelle.
• Des Weiteren weisen Hallelemente eine starke Empfindlichkeit für den piezoresistiven Effekt auf. Mechanische Verformungen durch äußeren Druck oder durch Wasseraufnahme verändern die Empfindlichkeit der Hallzelle. Überzieht man den Siliziumchip mit einem weichen Kunststoff bevor das Gehäuse gespritzt wird, so lässt sich die Langzeitdrift der Sensitivität auf 0.25% senken. Mechanische Verformungen treten bereits nach wenigen Betriebstunden auf (10 .. 100h), sind in manchen Fällen reversibel und haben meist den größten Anteil an der Langzeitdrift.
• Intersitielle Diffusion von Verunreinigungen, z.B. von schwach gebundenem Wasserstoff, ist für die Widerstandsdrift von diffundierten Widerständen in Halbleitern bekannt. Die Langzeitdrift kann 1% /100000 Stunden betragen.
• n+ dotierte Diffusionsgebiete von 130nm BICMOS-Prozessen weisen einen Temperaturkoeffizient von ca. 1500 .. 2000 ppm/K auf. Moderne Hallsensoren kompensieren die Temperaturdrift durch Messung der Sperrschichttemperatur und durch Errechnung eines temperaturkompensierten Messwerts.
• Der in der Anordnung verwendete Hall-Sensor weist eine Alterung der Sensitivität auf. Die in den Gleichungen verwendeten Empfindlichkeiten des Hall-Sensors (S_B2, S_B3 und S_B4) sind ausschließlich vom mechanischen Aufbau abhängig. Wenn die Mechanik sich nicht verändern kann, beispielsweise durch Vollverguss, können sich die Empfindlichkeiten lediglich verändern, wenn der Magnetfeldsensor mit der Zeit selbst empfindlicher oder unempfindlicher wird. Es bietet sich dadurch die Möglichkeit, die Alterung der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors zu bestimmen, indem nun durch Lösen des Gleichungssystems aus insgesamt vier Gleichungen nach der Sensitivität des Hallsensors aufgelöst wird. Um eine genauere Messung zu ermöglichen, kann die Empfindlichkeit des Hallsensors als gemeinsamer Faktor aller Empfindlichkeiten dargestellt werden und die Empfindlichkeit des Hallsensors s_hall kann mittels folgender Gleichung berechnet werden. $${\mathrm{r}}_{\mathrm{x}}\mathrm{=}\mathrm{n}\mathrm{+}{\mathrm{s}}_{\mathrm{hall}}\left(\mathrm{I}\mathrm{*}{\mathrm{s}}_{\mathrm{x}}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{*}{\mathrm{s}}_{\mathrm{Bx}}\right)$$

  
• In der oben angegebenen Gleichung gibt r_X die Anzahl der Quantisierungsschritte für den jeweiligen Zustand x an. Die Variable x steht für einen der vier Fälle (x = 1 .. 4). Im ersten Fall sind beide Steuerkerne ungesättigt, im zweiten Fall ist nur der erste Steuerkern gesättigt, im dritten Fall ist nur der zweite Steuerkern gesättigt und im vierten Fall sind beide Steuerkerne gesättigt. Die Variable n gibt den Nullpunkt des magnetfeldsensitiven Bauelements in Quantisierungsschritten an, bei dem im elektrischen Leiter 0A Strom und am magnetfeldsensitiven Bauelement 0 Tesla Flussdichte anliegen. Die Variable S_Bx gibt die Sensitivität des magnetfeldsensitiven Bauelements für den entsprechenden Zustand an. Die Variable B bezeichnet die magnetische Flussdichte eines störenden externen Magnetfeldes.
• Somit kann die Sensitivität s_hall des magnetfeldsensitiven Bauelements aus den zuvor erhaltenen Messwerten berechnet werden.
• Die Anordnung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
• Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
• Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1

zeigt eine beispielhafte Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms.

Figur 2

zeigt den ersten Aufbau zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bei ungesättigten Steuerkernen.

Figur 3

zeigt den zweiten Aufbau zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bei Sättigung des ersten Steuerkerns.

Figur 4

zeigt den dritten Aufbau zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bei Sättigung des zweiten Steuerkerns.

Figur 5

zeigt den vierten Aufbau zur Messung eines in einem elektrischen Leiter fließenden Stroms bei Sättigung beider Steuerkerne.

• In Figur 1 ist eine mögliche Variante der beispielhaften Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms gezeigt, bei der ein Magnetkreis 2, der aus Ferrit bestehen kann, einen elektrischen Leiter 1 umgreift. Der Magnetkreis 2 weist auf einer Seite einen Luftspalt 3 auf, in dem sich zwei Steuerkerne 5a, 5b befinden. Die Steuerkerne 5a, 5b sind bevorzugt beidseitig des elektrischen Leiters 1 angeordnet. Der zweite Steuerkern 5b ist dabei in der Nähe des magnetfeldsensitiven Bauelements 4, vorzugsweise parallel zu diesem, angeordnet. Im U-förmigen Magnetkreis 2 befindet sich bevorzugt zwischen den Armen des Magnetkreises 2 ein magnetfeldsensitives Bauelement 4, das zur Messung des in dem elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms dient. Die Steuerkerne 5a, 5b weisen jeweils Steuerwicklungen 6 auf, die zur Sättigung der Steuerkerne 5a, 5b dienen. Diese Steuerwicklungen 6 befinden sich bevorzugt auf einer oder mehreren, bevorzugt gegenüberliegenden Seiten des Rahmens des Steuerkerns 5a, 5b.
• Figur 2 zeigt den ersten Messaufbau zur Messung des durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms. Die Steuerkerne 5a, 5b sind bevorzugt beidseitig des elektrischen Leiters 1 angeordnet. Bei der ersten Messung sind beide Steuerkerne 5a, 5b ungesättigt. Das magnetfeldsensitive Bauelement 4, das zwischen den Armen des U-förmigen Magnetkreises 2 angeordnet ist, misst den durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Strom.
• Das vom Stromfluss durch den elektrischen Leiter 1 hervorgerufene H-Feld erzeugt ein B-Feld in den beiden Armen des U-förmigen Magnetkreises 2 und in den Steuerkernen 5a, 5b. Wenn der magnetische Widerstand des ersten Steuerkerns 5a nicht signifikant kleiner als der magnetische Widerstand des Magnetkreises 2 und des zweiten Steuerkerns 5b ist, so wird das magnetfeldsensitive Bauelement 4 von nahezu genauso viel B-Feld durchflutet, als wenn der zweite Steuerkern 5b nicht vorhanden oder gesättigt wäre. Die Stromempfindlichkeit des Aufbaus ist dadurch sehr hoch. Der gesamte magnetische Kreis 2 ist durch die Steuerkerne 5a, 5b geschlossen, wodurch die Empfindlichkeit für störende äußere Magnetfelder gering ist. Zum genauen Messen kleiner Ströme bei bekanntem Nullpunkt und bei bekanntem störenden äußerem Magnetfeld muss kein Steuerkern 5a, 5b bestromt werden. Das magnetfeldsensitive Bauelement 4 ist in diesem Fall weiterhin in der Lage, das B-Feld zu messen.
• In Figur 3 ist der zweite Aufbau zur Messung des durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms gezeigt. Für die zweite Messung des durch das magnetfeldsensitive Bauelement 4 fließenden Strom, wird der erste Steuerkern 5a gesättigt. Der zweite Steuerkern 5b bleibt ungesättigt.
• Der magnetische Widerstand des ersten Steuerkerns 5a erhöht sich derart stark, dass nahezu kein magnetischer Fluss (B-Feld) im magnetfeldsensitiven Bauelement 4 registriert werden kann, da der magnetische Widerstand des zweiten Steuerkerns 5b in diesem Fall wesentlich kleiner ist, als der im Magnetkreis 2 wirksame magnetische Widerstand. Die Empfindlichkeit auf störende äußere Magnetfelder ist gering, weil der überwiegende Anteil der den Aufbau durchfließenden Feldlinien durch den magnetisch gut leitfähigen zweiten Steuerkern 5b fließt.
• Die Figur 4 zeigt einen dritten Aufbau bei dem der durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms mittels des magnetfeldsensitiven Bauelements 4 gemessen wird. Für die dritte Messung wird der zweite Steuerkern 5b gesättigt. Der erste Steuerkern 5a ist ungesättigt.
• In diesem Aufbau ist der magnetische Widerstand des ersten Steuerkerns 5a niedrig, jedoch der magnetische Widerstand des zweiten Steuerkerns 5b hoch, so dass der Aufbau wieder magnetisch geschlossen ist. Das magnetfeldsensitive Bauelement 4 wird von geringfügig mehr Feldlinien durchflossen als bei der ersten Messung, die in Figur 2 dargestellt ist.
• In Figur 5 ist der vierte Aufbau zur Messung des durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Stroms gezeigt. Für die vierte Messung werden beide Steuerkerne 5a, 5b gesättigt. In diesem Aufbau ist der magnetische Kreis offen. Nahezu alle Feldlinien führen durch den Luftspalt 3 im U-förmigen Magnetkreis 2, in dem sich das magnetfeldsensitive Bauelement 4 befindet. Äußere Störfelder sowie das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, der durch den elektrischen Leiter 1 fließt, werden vom magnetfeldsensitiven Bauelement 4 mit hoher Sensitivität erfasst. Die Empfindlichkeit für den durch den elektrischen Leiter 1 fließenden Strom ist etwa eine Zehnerpotenz geringer als in den in Figur 2 und 4 dargestellten Messungen und sie ist etwa eine Zehnerpotenz größer als bei der in Figur 3 dargestellten Messung. Die Empfindlichkeit für störende äußere Magnetfelder kann jedoch um mehr als eine Zehnerpotenz größer sein als in den anderen drei Messungen.
• Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, eine andere Anzahl der Steuerwicklungen oder eine andere Form des Magnetkreises für die Anordnung zu verwenden. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
• Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1

elektrischer Leiter

2

Magnetkreis

3

Luftspalt

4

magnetfeldsensitives Bauelement

5a

erster Steuerkern

5b

zweiter Steuerkern

6

Steuerwicklung

Claims (15)

1. Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter (1) fließenden Stroms, aufweisend

   - einen Magnetkreis (2) mit Luftspalt (3) zur Kopplung mit dem elektrischen Leiter (1),

   - ein im Magnetkreis (2) angeordnetes magnetfeldsensitives Bauelement (4) zur Messung des vom elektrischen Leiter (1) erzeugten Magnetfelds,

   - zwei Steuerkerne (5a, 5b), dadurch gekennzeichnet, dass

   die Steuerkerne (5a, 5b) jeweils eine Steuerwicklung (6) zur magnetischen Sättigung des jeweiligen Steuerkerns (5a, 5b) aufweisen und in dem Luftspalt (3) beidseitig des dazwischen liegenden elektrischen Leiters (1) angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein erster Steuerkern (5a) auf einer ersten Seite des elektrischen Leiters (1) angeordnet ist und ein zweiter Steuerkern (5b) auf einer zweiten Seite des elektrischen Leiters (1) angeordnet ist.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite Steuerkern (5b) parallel zu dem magnetfeldsensitiven Bauelement (4) angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Magnetkreis (2) eine Zusatzwicklung aufweist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die beiden Steuerkerne (5a, 5b) in einer gemeinsamen Ebene liegen.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Magnetkreis (2) den elektrischen Leiter (1) umgreift.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerkerne (5a, 5b) als Ferritkerne ausgebildet sind.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerkerne (5a, 5b) einen rechteckigen Rahmen aufweisen und auf mindestens einer Seite des Rahmens eine Steuerwicklung (6) zur Sättigung der Steuerkerne (5a, 5b) aufweisen.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerkerne (5a, 5b) jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten eine Steuerwicklung (6) aufweisen.
10. Verfahren zur Messung eines in einem elektrischen Leiter (1) fließenden Stroms, bei dem die durch das magnetfeldsensitive Bauelement (4) durchsetzende Flussdichte bei ungesättigten Steuerkernen (5a, 5b) gemessen wird unter Verwendung einer Anordnung zur Messung eines in einem elektrischen Leiter (1) fließenden Stroms gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die durch das magnetfeldsensitive Bauelement (4) durchsetzende Flussdichte bei Sättigung eines ersten Steuerkerns (5a) gemessen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die durch das magnetfeldsensitive Bauelement (4) durchsetzende Flussdichte bei Sättigung eines zweiten Steuerkerns (5b) gemessen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die durch das magnetfeldsensitive Bauelement (4) durchsetzende Flussdichte bei Sättigung beider Steuerkerne (5a, 5b) gemessen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem aus den erhaltenen Messwerten der durch den elektrischen Leiter (1) fließende Strom berechnet wird.
15. verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Sensitivität des magnetfeldsensitiven Bauelements (4) aus den erhaltenen Messwerten berechnet wird.

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